空井筒軟關井操作仿真實訓系統的設計

周正健 侯平智

（杭州電子科技大學一帶一路研究院，浙江杭州 310016）

0.引言

井下作業是油田勘探開發過程中保證油水井正常生產的技術手段。伴隨著油田勘探開發工藝和技術的不斷升級，石油開發作業的操作工藝越來越復雜，由于不合理的操作引發安全事故的問題也越來越多，如何培訓出具有專業水準的在崗工人，保證企業安全生產，成為當前油田勘探開發領域的一個重要課題[1]。為了提高井下作業操作的培訓效果，帶給學員更加真實的體驗，開發出一套空井筒軟關井仿真實訓系統勢在必行。文獻[2]針對油田儲運過程中的機械清罐作業培訓進行系統開發；文獻[3]針對電纜射孔工藝開發出了一套仿真培訓系統，上述文獻雖然開發了一套仿真培訓系統，但是都不針對空井筒軟關井操作工藝，難以用于井下作業關井操作培訓。本文結合實際工藝需求，設計開發出了一套基于Unity3D三維開發引擎的空井筒軟關井操作仿真實訓系統。系統設計采用了組件化架構思路，實現了三維動畫演示、單人模擬演練、多人交互演練、多人交互考核評測等功能，隨著仿真實訓系統逐步得到應用，會有效提高空井筒軟關井操作培訓的效果，這對完善油田勘探開發領域的仿真教學有著重要意義。

1.系統架構

當前的空井筒軟關井的培訓教學，大都采用老師課堂授課講述操作流程，輔助學員現場參觀，培訓方法存在學員沉浸感不足和不能隨時進行實操訓練的缺點，針對存在的問題，本文設計并開發了一套空井筒軟關井仿真實訓系統。系統總體結構分為3個層次：顯示層、業務層、數據層。

（1）顯示層。主要包括PC端的電腦，老師和受訓學員操作安裝有該系統的電腦，登錄自己的賬號即可進入系統進行培訓。（2）業務層。主要包括4部分，分別是三維動畫演示、單人演練業務、多人交互演練業務、多人交互考核業務。三維動畫演示主要為通過讓學員觀看空井筒軟關井操作視頻，了解操作流程和各崗位的任務；單人演練的目的是讓學員扮演具體某個崗位在流程中進行操作，進一步加深對關井流程的了解；多人交互演練業務中，關井操作的5個崗位均需要學員來操作，每位學員都需要正確完成自己的操作，關井流程才可以繼續，當學員操作錯誤次數超過3次后，系統會為學員演示正確的操作；當學員對空井筒軟關井操作有了充分了解后，可以使用多人交互考核業務進行考核，系統判斷學員操作正確與否進行打分。（3）數據層。用來儲存學員和老師的賬號信息、演示的三維動畫、音頻資源及仿真場景中的模型數據。

2.系統開發流程及關鍵技術

2.1 系統開發流程

系統的開發流程共分為工藝考察、三維建模、搭建實訓系統、系統測試4部分，系統的開發流程圖如圖1所示。

圖1 開發流程圖

（1）工藝考察以實際油田勘探開發現場為依據，了解空井筒軟關井操作所需要的場景和設備，熟悉各崗位的分工，著重考察空井筒軟關井操作的工藝流程，以流程中的重要操作作為考核模塊中的得分點。（2）三維建模主要使用3dsMax軟件，將空井筒軟關井操作所需的場景、設備、工人模型建模，將搭建好的模型以“.fbx”格式導入到Unity3D軟件中，之后使用這些模型搭建和完善操作場地。（3）搭建實訓系統主要包括動畫制作、碰撞檢測、交互控制、腳本編寫4部分，其中動畫制作目的是將整個空井筒軟關井操作工藝以三維動畫的形式展示給參加培訓的學員。碰撞檢測技術解決了防止系統中運動的物體發生彼此穿透的現象。交互控制可以將空井筒軟關井操作過程中的設備參數、專業知識等信息通過聲音、視頻等方式傳遞給學員，提高了仿真的真實性。（4）系統測試需要完成實訓系統功能的測試及修改，之后將系統資源打包發布。

2.2 關鍵技術

（1）碰撞檢測技術。在空井筒軟關井仿真實訓系統中，為了能夠實現交互功能，于是就產生了碰撞檢測問題。在空井筒軟關井操作工藝中，如果不采用碰撞體檢測技術，就會產生在系統中運動的兩個物體發生彼此穿透的現象，同時學員在操控虛擬崗位工人在場景中運動時，也需要碰撞檢測技術來避免穿透場景中的模型和飛入地下的情況。具體使用起來，我們需要使用Unity3D為場景中的設備模型添加Mesh Renderer腳本和Mesh Collider腳本，如圖2、圖3所示，這樣設備模型就成為了網格碰撞體，在交互操作中，不會出現兩個模型相互穿透的現象，而是當兩個物體相遇時，就會停止再繼續運動。

圖2 Mesh Renderer腳本

圖3 Mesh Collider腳本

（2）交互技術。交互技術的使用，解決了學員通過鼠標和鍵盤設備來控制仿真系統中的虛擬工人進行空井筒軟關井操作的問題。在空井筒軟關井操作進行過程中，需要多個崗位的工人位于場景中的不同位置進行操作，在完成了某項操作之后，需要手勢通知其他崗位的工人，因此引入了交互技術。學員可以操作鍵盤上的“W”“A”“S”“D”4個鍵來控制人物的移動，空格鍵控制人物的跳躍，字母“C”鍵控制下蹲動作，按下鼠標右鍵可以轉動視角，鼠標左鍵可以點擊物體。交互技術的使用可以有效地提高學員使用系統時的互動性和真實性。

3.應用

將空井筒軟關井操作仿真實訓系統應用于空井筒軟關井操作培訓中，空井筒軟關井操作共需要五個操作崗位，其中班長負責流程的把握，指揮其他工人進行操作，操作手負責操作修井機油車大勾的起降，一崗和二崗位于防噴器兩側進行關井操作，三崗位于節流管匯位置，進行放噴閥門的開關。空井筒軟關井操作仿真實訓系統的使用，大大提高了井下作業中空井筒軟關井操作培訓的效果，帶給學員更加真實的體驗，節約了培訓時間，降低了培訓成本。

4.總結

結合實際項目，本文設計并開發了一套空井筒軟關井操作仿真實訓系統。系統總體采用模塊化的設計思路，以實際石油開采現場的空井筒軟關井工藝為基礎，使用虛擬現實技術和交互技術將流程完整實現出來，實現了三維動畫演示、單人演練業務、多人交互演練業務、多人交互考核業務等模塊功能。通過對系統的測試，該系統運行流暢，性能穩定可靠，可以將抽象的關井流程直觀、形象地展現給參加培訓的學員，大大地激發他們學習的積極性和主動性，提高教學質量和培訓效率，具有較高的推廣價值。在后續的開發中，我們將繼續優化該系統，提高空井筒軟關井操作仿真實訓系統的真實性和沉浸感，進一步提高學員的培訓體驗。